2022, Vol. 43
2. 苏州市排水管理处, 苏州 215000
2. Suzhou Drainage Management Office, Suzhou 215000, China
苏州地处长江、太湖下游, 境内湖泊、河道众多, 城区内地势低平, 河网纵横交错, 河道周边建筑与人居稠密, 服务业发达.由于苏州城区可渗透地面面积有限, 雨水管道较短且大多为淹没流排河, 降雨时管道内沉积物成为城区河道水质污染的重要来源[1].有研究表明雨季河道水质高锰酸盐指数和氨氮明显高于旱季[2], 降雨引起的地表径流污染对河道水质起到了恶化作用[3].排水系统中管道沉积现象普遍存在, 有调查发现约80%的雨水管道都存在不同程度的沉积现象[4, 5], 雨水管道内沉积物携裹的污染物随径流进入到水体中, 其对管道出流的污染贡献不可忽视[6~8]. Ahyerre等[9]的研究表明, 降雨条件下管道沉积物冲刷释放的污染负荷为径流污染负荷的30%~80%. Gasperi等[10]对多场降雨分析结果表明, 降雨条件下管道沉积物污染负荷中, TSS和TOC贡献率分别高达40%~80%和34%~61%. Chang等[11]的研究发现, 雨季管道排放的沉积物致使城市河流底泥ω(TN)、ω(TP)和ω(TOC)增加.
目前, 关于管道沉积物污染特性的国内外研究主要集中在合流制管道沉积物污染性质[12~15]以及沉积物输移和冲刷模型[16~21]等方面, 对分流制雨水管道沉积物理化性质及污染特征方面的工作成果较少, 关于雨水管道沉积物粒径分布与污染物负荷之间的相关性研究也较缺乏.本文针对苏州市城区4种典型功能区雨水管道沉积物, 研究了粒径特征及其与ω(TOC)、ω(TN)、ω(TP)和ω(NH4+-N)的相关性, 以期为雨水管道沉积物的污染控制提供较好的理论依据.
1 材料与方法 1.1 采样点分布以苏州市中心城区为背景, 选取商业区、历史文化保护区、文教区和生活区这4种典型功能区雨水管道沉积物作为研究对象, 结合实地调研进行采样点的布设, 在每个功能区的雨水干管和支管分别布设采样点.生活区位于古城区道前街西善长巷, 周边配套设施较完善, 下垫面水泥道路、砖石铺砌路和绿化比例为1∶0.84∶0.29, 雨水管底坡度为1‰~3‰; 商业区位于观前商圈, 属于商业交通繁忙区域, 下垫面水泥道路、砖石铺砌路和绿化比例为1∶2.6∶0.4, 管底坡度为1‰~6‰; 历史文化保护区为平江路“网红街”, 下垫面混凝土道路、砖石铺砌路和绿化比例为1∶1.88∶0.13, 管底坡度为1‰~3‰; 文教区位于大学城, 下垫面混凝土道路、砖石铺砌路和绿化比例为1∶1.27∶2.36.
1.2 样品采集本实验样品于2020年6~8月(雨季)和2020年11月~2021年1月(旱季)采集, 根据天气情况, 在降雨后第5个晴天采集雨水管道沉积物.采用抽吸式或抓斗式沉积物采样器, 样品为各点位3次采集的混合样, 同时收集各取样点周边(3 m×1 m)街尘, 雨水管道沉积物和街尘样品数各48个.样品采集后及时送至实验室冷冻干燥(Scientz-系列N型真空冷冻干燥机, 宁波新芝生物科技有限公司), 弃去大于2 000 μm的碎石、树叶等杂物, 将管道沉积物和路面街尘依次通过18目(1 000 μm)、60目(250 μm)、100目(150 μm)和200目(75 μm)不锈钢筛, 筛分后得到250~1 000、150~250、75~150和≤75 μm这4个区间的颗粒物样品, 其余样品-20℃冰箱保存并及时进行各指标检测分析.
1.3 检测方法对样品总氮(TN)、总磷(TP)、总有机碳(TOC)和氨氮(NH4+-N)指标及理化特性进行检测, 粒径分布采用丹东百特BT-9300SE激光粒度分析仪进行测定; TOC采用德国耶拿MultiNC3100TOC分析仪(GB/T 30740-2014); TN采用凯氏法(HJ 717-2014); NH4+-N采用氯化钾溶液提取分光光度法(HJ 634-2012); TP采用碱熔-钼锑抗分光光度法(HJ 632-2011); pH采用电位法(HJ 962-2018); 密度采用比重瓶法(LY/T 1224-1999); 含水率采用重量法(HJ 613-2011).每个样品检测设置3组平行实验.
1.4 数据处理与分析数据处理使用Excel 2019, 图表制作使用Origin 2021, 统计分析使用SPSS 22.
各取样点雨水管道沉积物不同粒级污染负荷Mi(g)计算采用如下公式:
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(1) |
式中, Mi为不同粒级沉积物的污染负荷(g); Ci为不同粒级沉积物中污染物含量(mg·kg-1); V为取样点管道沉积物的有效体积(m3), ρ为取样点沉积物密度(g·cm-3), ki为取样点各粒级沉积物的质量分数(%).
2 结果与讨论 2.1 雨水管道沉积物的基本理化性质经现场调查发现, 雨水管道沉积物厚度为15~40 cm, 支管沉积厚度大于干管, 雨季较旱季管内沉积厚度减少.含水率与密度等性质直接影响沉积物的冲刷、传输和沉积过程, 4个功能区雨水管道沉积物基本性质见表 1, 沉积物含水率为24.26%~88.46%, 支管含水率>干管, 这与各功能区采样点位汇水面积、下垫面类型、管道结构及坡度等有关.含水率反映沉积物堆积状态和颗粒间相互作用的强弱, 是影响水流剪切冲刷和临界启动应力的重要因素之一[22].密度范围为1.969~2.815 g·cm-3, 各功能区沉积物密度相差不大, 干管沉积物密度略大于支管.笔者研究区域干管多位于交通干道, 车流量大, 大量路面街尘被带入管道系统. pH在6.80~8.12之间, 均值为7.46, 较重庆雨水管道pH(7.25~7.63)[23]范围大, 说明雨水管道沉积物所处理化环境不太稳定, pH值呈现文教区>生活区>历史文化保护区>商业区的趋势.有研究表明, pH值影响沉积物-上覆水界面间氮和磷的释放情况[24], 特别是pH在酸性条件下, 雨水管道沉积物中NH4+-N与TP溶出率达到峰值[25].
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表 1 不同功能区雨水管道沉积物基本性质(n=48) Table 1 Basic properties of rainwater sewer sediments in different functional areas(n=48) |
粒径是表征颗粒物传输行为的重要参数, 图 1(a)反映了雨水管道沉积物和地表街尘颗粒物的粒径分布, 从中可知, 4个功能区管道沉积物在≤75 μm和250~1 000 μm两组粒径区间比例较高, 75~150 μm和150~250 μm粒级范围分布较为均匀, 街尘颗粒物粒径集中在250~1 000 μm范围内.文教区粒径≤75 μm的颗粒占比最多(78.62%), 与其绿化面积较大, 绿地对街尘中大颗粒物的拦截作用有关.街尘与雨水管道沉积物为源-汇关系, 其粒径分布不仅受道路交通、清扫及开发状况影响, 还受降雨强度、雨前晴天数与风速的影响, 清扫主要去除大粒径颗粒物, 小粒径颗粒物受降雨冲刷进入管网[26].城市道路降雨径流颗粒物粒径多为5~100 μm[27], 路面街尘以180~750 μm为主[28], 粒径在某种程度上决定颗粒的可移动性和潜在的污染效应.由图 1(b)可知, 管道沉积物D50(中值粒径)在16.55~327.50 μm之间, 生活区、商业区、历史文化区和文教区D50分别为28.51~307.60、165~327.50、62.11~223.40和16.55~50.31 μm. 4个功能区的干管沉积物D50均大于支管, 与常海东等[29]在昆明市排水管道沉积物性质的研究相似.干管内沉积物大粒径颗粒多于支管, 推测这与管道内流速有关, 当管内流速 < 0.6 m·s-1时, 颗粒态污染物的沉积作用大于冲刷作用[30].此外, 雨季沉积物样品的D50明显低于旱季, 街尘细颗粒物易随径流输移至管道内造成雨季管道沉积物细颗粒增加.同时, 各粒径颗粒具有不同传输方式, 有研究发现管道沉积物粒径在50~200 μm之间以悬移质传输为主[31], 粒径在0.2~1.0 mm的颗粒物跳跃运输, 粒径>1.0 mm则为推移质, 本文雨水管道沉积物静态状况下具有悬移质特征.
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图 1 雨水管道沉积物粒径分布 Fig. 1 Rainwater sewer sediment particle size distribution |
管道沉积物常规污染物含量分布见图 2, ω(TOC)、ω(TN)、ω(TP)和ω(NH4+-N)存在明显空间差异性, 表现为: 商业区>历史文化保护区>生活区>文教区. ω(TOC)为0.84%~6.76%, ω(TN)、ω(TP)和ω(NH4+-N)分别为917.5~12 707.1、196.1~2 524.8和9.3~156.8 mg·kg-1. ω(TOC)、ω(TN)、ω(TP)和ω(NH4+-N)均值分别为2.90%、4 834.2 mg·kg-1、950.3mg·kg-1和52.1 mg·kg-1, 与苏州古城区河道底泥ω(TOC)、ω(TN)、ω(TP)和ω(NH4+-N)(均值分别为3.4%、2 074 mg·kg-1、1 765 mg·kg-1和140 mg·kg-1)[32], 及重庆雨水管道沉积物ω(TN)、ω(TP)和ω(NH4+-N)(均值分别为3 050、1 890和254 mg·kg-1)[23]相比, 除TN外, 各采样点ω(TOC)、ω(TP)和ω(NH4+-N)相对较低.管道沉积物中有机物和氮的输出对受纳水体污染风险值得关注, 沉积物中的氮又以有机氮为主导, 人类外源输入对有机氮影响较大[33].沉积物中氮的形态结构与沉积动力学[34]和微生物代谢活动有关, 硝化和反硝化菌种影响着氮的迁移过程[35]. ω(TOC)、ω(TN)、ω(TP)和ω(NH4+-N)在4组粒径区间上最高值皆出现在粒径≤75 μm的颗粒物上, ω(TOC)在粒径≤75、75~150和150~250 μm颗粒上分布较为均匀.相较于粒径大于150 μm的颗粒, 粒径≤150 μm的样点中ω(TN)、ω(TP)和ω(NH4+-N)明显较高.由此说明各污染物与不同粒径颗粒结合能力具有差异, TN、TP和NH4+-N易吸附于细微颗粒物上.广州合流制排水管道中粒径 < 147 μm和>841 μm的颗粒物上污染物的含量高于其它粒径[36], 与本实验结果存在差异, 这主要是由排水体制内污染物的分布特征决定的.
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图 2 不同粒径雨水管道沉积物碳、氮和磷含量分布 Fig. 2 Distribution of carbon, nitrogen, and phosphorus contents in rainwater sewer sediments with different sizes |
对比污染物在干管和支管上的含量(表 2), 发现干管沉积物ω(TOC)、ω(TN)和ω(TP)在4组粒径区间上均低于支管, 支管内细颗粒沉积物较多, 可吸附更多的有机物和磷, 磷主要以颗粒态为主, 相较于干管, 支管内更易发生沉积.但ω(NH4+-N)为干管>支管, 氮以溶解态为主, 管道内输送速度及氧含量不同致使沉积物中氮形态分布有差异, 干管内流速和流量大, 沉积物再悬浮也增加氮迁移和转化速率[37].
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表 2 不同粒级雨水管道沉积物中碳、氮和磷分布 Table 2 Distribution of carbon, nitrogen, and phosphorus in rainwater sewer sediments of different grain sizes |
笔者对各取样点不同粒级管道沉积物污染负荷进行核算见公式(1), 经计算得TOC、TN、TP和NH4+-N各粒级污染负荷分别为7.7~4 733.9、0.07~453.6、0.1~246.6和0.004~10.9 g.图 3反映了常规污染物在时间和粒径上的分布情况, TOC、TP和NH4+-N这三者污染负荷主要集中在粒径≤75 μm和250~1 000 μm的颗粒上, 75~250 μm颗粒上污染负荷相对较低, 这是由沉积物粒径组成及污染物分布规律决定的.TN负荷在粒径250~1 000 μm的颗粒上最大, 与海永龙等[38]在北运河上游合流制管网沉积物研究中结论相似, 但NH4+-N负荷分布规律不同, 分析认为与合流制相比, 分流制管道沉积物密度大且细颗粒较多.从季节上看, 沉积物中TOC、TN和TP污染负荷雨季高于旱季, 雨季径流冲刷导致管内沉积物粒径分布发生变化, 当径流冲刷产生较大剪切力时, 沉积物上20%~50%的污染物可能会被释放[39].NH4+-N负荷在旱季和雨季皆有高值出现, 这可能是由于雨季温度高, 微生物活性强, 而旱季雨水管道干期时间长, 有机颗粒间的生物反应时间增加.有研究发现无机氮分布情况与雨水管道旱期的长度及降雨强度有关[40].因此需减少旱季管道沉积物的累积并控制雨季管道沉积物细颗粒的传输, 尤需重视对粒径≤75 μm细颗粒沉积物的控制.Zeinali等[41]的实验发现, 粒径范围为40~170 μm的颗粒能够在管道水中悬浮并输送的最低流速度为0.25 m·s-1时, 管内水流流速为0.34 m·s-1时, 粒径60~200 μm的颗粒物可在管内快速迁移, 当管内水流流速达到0.39 m·s-1时, 可输移粒径50~180 μm的颗粒物.因此, 在雨季前管网系统的清淤对有效降低管道沉积物污染负荷进入河道具有重要意义.
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图 3 雨水管道沉积物污染负荷 Fig. 3 Sediment pollution load in rainwater sewer |
Pearson相关分析不仅可以衡量两个变量因素的相互依存程度, 还可发现不同污染物指标间是否存在共同的污染源. 相关性分析结果表明(表 3), D50与TOC(r=0.420, P < 0.01)、TP(r=0.534, P < 0.01)、TN(r=0.628, P < 0.01)和NH4+-N(r=0.735, P < 0.01)呈现显著正相关, 与Sansalone等[42]在城市路面径流颗粒物迁移研究中结论相似, 说明污染物含量与粒径有密切关系. pH与TOC、TN、TP和NH4+-N呈现显著负相关性, pH对沉积物溶出、释放和微生物活动均有影响, 密度仅与TP呈显著相关, 其原因可能是管道内颗粒物沉积影响着TP在沉积物中含量变化, 氮和有机物迁移性强, 磷则具有良好的沉降特性[43], 沉积物密度越大, 颗粒沉降性越强.污染指标之间, TOC和TP(r=0.552, P < 0.01)与TN(r=0.361, P < 0.05)为显著正相关, TN与TP(r=0.787, P < 0.01)相关性最强, NH4+-N和TN与TP同样显著正相关.说明沉积物中碳、氮和磷类污染源同源.
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表 3 碳、氮和磷与基本理化性质间的相关分析1)(n=48) Table 3 Correlation analysis between carbon, nitrogen, and phosphorus and basic physical and chemical properties(n=48) |
2.4 路面街尘-管道沉积物间的迁移特性
街尘中ω(TOC) 为0.46%~4.54%, ω(TN)、ω(TP)和ω(NH4+-N) 分别为: 1 105.3~8 420.9、100.7~1 236.3和12.6~171.7 mg·kg-1. TOC、TN、TP和NH4+-N的变异系数分别为54.76%、52.33%、67.75%和67.67%, 根据变异系数分级[44], 污染物变异性显著, 说明其空间差异性大, 很大程度是人为活动空间差异导致的结果.各功能区氮、磷和有机物无明显规律, 这与样点区域清扫频率、清扫方式及降雨条件有关.不同颗粒粒径的污染物含量分布情况(表 4)反映了粒径≤ 75 μm街尘颗粒上ω(TOC)、ω(TN)和ω(NH4+-N) 大于其它粒径颗粒, TP主要分布在粒径150~250 μm街尘颗粒上.
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表 4 不同粒级街尘中碳、氮和磷分布 Table 4 Distribution of carbon, nitrogen, and phosphorus in street dust of different sizes |
图 4分别揭示了TOC、TP、TN和NH4+-N在雨水管道沉积物-街尘颗粒间的迁移特征, 各管道沉积物中ω(TP)和ω(TN)均高于街尘, 呈现一定的富集特性, 尤其是粒径≤75 μm颗粒上ω(TP)明显高于同粒径街尘, 说明TP更容易在细颗粒上出现富集, 生活区TN较其它功能区的富集特性更为明显. ω(TOC)在不同功能区迁移特性具有差异, 商业区和历史文化保护区TOC有明显的富集特性.街尘是城市径流污染与雨水管道沉积物累积的主要来源之一, 应有效控制地表街尘的输移和管内沉积物的累积, 包括雨水调蓄池以及管道末端截留设施等.
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图 4 不同粒径雨水管道沉积物-街尘迁移特征 Fig. 4 Migration characteristics of rainwater sewer sediments-street dust with different particle sizes |
(1) 各功能区雨水管道沉积物粒径分布差异性明显, D50由大到小排序为: 商业区>生活区>历史文化保护区>文教区, 干管沉积物D50大于支管, 雨季沉积物D50明显低于旱季. D50与TOC、TN、TP和NH4+-N均为显著正相关.
(2) 不同功能区沉积物ω(TOC)、ω(TN)、ω(TP)和ω(NH4+-N)总体表现为: 商业区>历史文化保护区>生活区>文教区, 4种污染物含量在粒径≤75 μm颗粒物上最高, 干管内沉积物ω(TOC)、ω(TN)和ω(TP)低于支管, NH4+-N分布规律则相反.
(3) 管道沉积物中TOC、TP和NH4+-N三者污染负荷主要集中在粒径≤75 μm和250~1 000 μm的颗粒物上, TN负荷主要来源于250~1 000 μm的沉积物颗粒, TOC、TN和TP污染负荷雨季高于旱季.
(4) 管道沉积物TP与TN呈现一定的富集特性, TP在粒径≤75 μm的沉积物中更容易富集.
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